2.2.1. Фильтрационные свойства глинистых грунтов

Многочисленные опыты по фильтрации воды в песчаных грунтах полностью подтверждают справедливость закона Дарси при любых значениях гидравлического градиента (прямая 1, рис. 2.6).

Рис. 2.6. График зависимости скорости фильтрации

от гидравлического градиента

Однако в глинистых грунтах при небольших значениях гидравлического градиента фильтрация может не возникать (начальный участок на кривой 2, рис. 2.6). Увеличение градиента приводит к постепенному, медленному развитию фильтрации, и при некоторых значениях его устанавливается постоянный режим фильтрации (прямолинейный участок на кривой 2, рис. 2.6).

В этом случае закон Дарси может быть записан в следующем виде:

V_ф = k(i –i₀) , (2.23)

где i₀ – начальный градиент.

2.2.2. Эффективное и нейтральное давление в грунте

Процесс уплотнения водонасыщенного грунта может быть наглядно продемонстрирован с помощью механической модели (рис. 2.7).

В первый момент времени (t = 0), пока несжимаемая вода не успела выйти из отверстия, поршень еще не переместился по вертикали, пружина не получила деформацию и усилие в ней равно 0 (р_z = 0). В воде в этот момент возникает давление р_w = р, то есть в первый момент времени все давление передается на воду.

По мере выдавливания воды через отверстие поршень будет опускаться и часть давления будет передаваться на пружину. В течение этого процесса будет сохраняться равенство

р_z + р_w = р. (2.24)

После выдавливания определенного количества воды из-под поршня давление будет полностью передано на пружину, то есть при t   р_w = 0; р_z = р.

Рис. 2.7. Модель деформации водонасыщенного грунта:

1 – стакан; 2 – поршень с отверстием; 3 – нагрузка; 4 – вода; 5 – пружина

По аналогии с рассмотренной механической моделью в процессе уплотнения водонасыщенного грунта в нем одновременно действуют две системы давлений: давление в скелете грунта _d, называемое эффективным напряжением, и давление в поровой воде _w, называемое нейтральным (поровым) напряжением. Давление в скелете грунта эффективно сказывается на состоянии грунта, уплотняя его. Нейтральное давление не сказывается на деформации грунта, то есть оно нейтрально по отношению к скелету.

Руководствуясь выражением (2.24), можно записать

 = _d +_w, (2.25)

где  - полное напряжение, действующее в грунте.

Тогда эффективное напряжение в грунте

_d =  - _w . (2.26)

Процесс постепенной передачи внешнего давления на скелет грунта в результате уплотнения и отжатия воды из пор называется фильтрационной консолидацией (первичной консолидацией).

Кроме первичной консолидации с течением времени в грунтах может развиваться процесс ползучести скелета и тонких пленок воды, который является проявлением реологических свойств грунта и называется вторичной консолидацией.

Давление в грунте от внешней нагрузки, эквивалентное весу столба жидкости, называют гидростатическим.

В процессе фильтрации в порах грунта вода оказывает давление на грунтовый скелет. Это давление называется гидродинамическим. Гидродинамическое давление D (в кН/м³) численно равно сопротивлению грунта, но направлено в противоположную сторону:

D = -i_w , (2.27)

где i – гидравлический градиент, _w - удельный вес воды.